【linux草鞋应用编程系列】_5_ Linux网络编程

一、网络通信简介

　第一部分内容，暂时没法描述，内容实在太多，待后续专门的系列文章。

二、linux网络通信
在linux中继承了Unix下“一切皆文件”的思想， 在linux中要实现网络通信需要创建相关的网络文件；linux中
用相关的系统调用创建相关的网络文件。

1、网络服务器实现（基于TCP/IP）
要实现一个网络服务器，则按照以下步骤完成
(1)创建网络套接字文件
socket( )系统调用用来创建网络套接字。其原型如下：

NAME
socket - create an endpoint for communication    //功能： 用来创建一个终端的链接

SYNOPSIS
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain,     //这个参数用来选择网络协议族，
int type,       //用来指定套接类型，
int protocol);  //这个参数一般指定为0 除非用于创建原始协议族时才设置为其他值

返回值：
成功返回套接字文件描述符，失败返回-1；

创建网络套接字文件的代码如下：

#include <sys/socket.h>

int socketfd ;

socketfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(-1 == socketfd)
{
perror("service");
return socketfd;
}

(2)、绑定本地端口
通过系统调用 bind( )实现服务器与本地端口的绑定， 其原型如下所示：

NAME
bind - bind a name to a socket    //为套接字指定名称
SYNOPSIS
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int   bind( int   sockfd,    //套接字文件描述符
const  struct  sockaddr  *my_addr,    //通用的套接字地址指针
socklen_t   addrlen);   //第二个参数占用的字节数  sizeof(my_addr)
DESCRIPTION
bind() gives the socket sockfd the local address my_addr.   my_addr  is
addrlen bytes long.  Traditionally, this is called “assigning a name to
a socket.”  When a socket is created with socket(2),  it  exists  in  a
name space (address family) but has no name assigned.

返回值：
绑定成功返回0； 失败返回-1；

关于第二个参数还需要说明：
函数原型中指定的是一个通用的指针，而在应用具体的协议的时候，这个参数需要传递与具体协议相关
的指针。 这个通用结构体类型的定义如下：
struct sockaddr的定义如下：

/*
*  1003.1g requires sa_family_t and that sa_data is char.
*/
struct sockaddr {
sa_family_t sa_family;  /* address family, AF_xxx   */
char        sa_data[14];    /* 14 bytes of protocol address */
};

例如： 当用TCP/IP协议的时候，就需要使用 struct sockaddr_in 类型结构体变量的指针。
struct sockaddr_in 定义如下：

struct sockaddr_in {
sa_family_t       sin_family; /* Address family */   //socket 网络协议族类型
__be16        sin_port;   /* Port number */  //要绑定的本地端口号
struct in_addr    sin_addr;   /* Internet address*/   //本机的IP地址

/* Pad to size of `struct sockaddr'. */
unsigned char     __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -
sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];  // 第四个域通常不用赋值
};

要点：
.sin_port 的赋值，需要进行类型转换，
.sin_addr是一个struct in_addr 结构体类型，这个结构体赋值也需要注意。

struct   in_addr  的定义如下：
/* Internet address. */
struct in_addr {
__be32  s_addr;
};

typedef __u32 __bitwise __be32; //32位的无符号整数

因为我们通常用 192.168.0.12 这种格式来表示网络的IP地址，而struct sockaddr_in 的sin_addr.s_addr 是一个
32位的无符号整数表示的IP地址，因此需要将 192.168.0.12 这种格式进行转换才能进行赋值。
下面的函数族用来在 192.168.0.12 和 32bit 的网络IP地址之间的转换。

NAME
inet_aton,    inet_addr,    inet_network,   inet_ntoa,   inet_makeaddr,
inet_lnaof, inet_netof - Internet address manipulation routines

SYNOPSIS
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
in_addr_t inet_addr(const char *cp);  //将字符串"192.168.0.12"转换为32bit的IP地址
in_addr_t inet_network(const char *cp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in); //将32bit的IP地址转换为 "192.168.0.12"字符串
struct in_addr inet_makeaddr(int net, int host);
in_addr_t inet_lnaof(struct in_addr in);
in_addr_t inet_netof(struct in_addr in);

绑定本地端口的示例代码如下：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in bind_addr;
socklen_t addr_len;

//绑定本地端口，即为socketfd命名
bind_addr.sin_family = AF_INET;
bind_addr.sin_port= htons (6000);   //通讯端口，服务器端和客户机端必须一样
bind_addr.sin_addr.s_addr= inet_addr("192.168.0.101");   //本机的IP地址
addr_len=sizeof(struct sockaddr_in);
ret = bind(socketfd,(struct sockaddr*)&bindaddr, addr_len);
if(-1==ret)
{
perror("bind");
return ret;
}

(3)监听本地端口
在绑定本地端口后，就需要对本地的端口进行监听，用以检测是否有客户机向服务器发送服务的请求。用
系统调用 listen( )建立监听。 其原型如下

LISTEN(2)                  Linux Programmer’s Manual                 LISTEN(2)
NAME
listen - listen for connections on a socket
SYNOPSIS
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd,    //要监听的网络套接字文件描述符
int backlog); //可以服务的最大客户端数目，或者说监听队列的长度

返回值：
成功返回0 ；失败返回-1；

示例代码如下：

#include  <sys/socket.h>

socketfd = listen(socketfd, 10);

(4) 接受服务请求并创建本地缓冲文件
当监听到服务请求后，就需要对服务请求做出响应，同时还需要创建一个用来缓存数据信息的文件，通过 accept( )
系统调用来对从监听队列取出服务请求，同时创建一个缓存数据信息的文件。
accept( )系统调用的原型如下：

ACCEPT(2)                  Linux Programmer’s Manual                 ACCEPT(2)
NAME
accept - accept a connection on a socket
SYNOPSIS
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int accept( int sockfd,      //要监听的网络套接字文件的描述符
struct sockaddr *addr,   //输出参数，用来存放接收到的客户机的网络地址信息
socklen_t *addrlen);     //输出参数，用来存放客户机的网络地址信息的长度

返回值：
成功返回数据缓冲文件描述符，失败返回 -1 。
第二参数需要注意，因为函数原型使用的一个通用的数据类型，而实际应用中需要根据网络协议的不同，需要采用不同
的数据类型指针。
例如这里使用 TCP/IP 因此需要传递一个 struct sockaddr_in 结构体变量的指针。

下面为响应服务并创建数据缓冲文件的Exp：

#include    <sys/socket.h>

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t  client_addr_len;

//响应监听队列的请求，并创建缓存数据文件
client_addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
sockbuf_fd=accept(socketfd,(struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
if(-1 == sockbuf_fd)
{
perror("accept");
return sockbuf_fd;
}

(5) 接受和发送数据
accept( )系统调用从请求服务队列取得一个服务请求，同时为这个服务请求建立一个缓存数据信息的文件，同时
返回创建的缓存数据信息的文件描述符，因此可以和访问普通文件一样来访问缓存数据信息文件； 对缓存数据信息
文件进行读就相当于接收数据，对缓存数据信息文件进行写就相当于发送数据。

Exp：
//发送数据
ret=write(sock_buf_fd,"socket network serives test.\n",29);
if(-1 == ret)
{
perror("send data");
return ret;
}

//接收数据
memset(sock_buf,0,sizeof(sockbuf));
ret=read(sock_buf_fd,sock_buf,sizeof(sock_buf));
if(-1 == ret)
{
perror("read socket");
return ret;
}

(6)关闭文件
在调用 socket( ) 和accept( ) 时候都会打开一个网络套接字相关的文件，因此需要关闭；关闭文件调用close( )完成即可。
Exp：

close(sock_buf_fd);
close(socket_fd);

2、网络客户端实现(基于TCP/IP)
要通过网络进行通讯，在网络客户端也需要可以分几步进行：
(1) 创建网络套接字文件
创建套接字的方法，与服务器端一样，且使用的网络族协议和套接字类型与服务端一样。
Exp：

int  socket_fd;

socket_fd = socket(  PF_INET,
SOCK_STREAM,
0 );

(2) 请求建立连接
在客户端为了获取服务端的服务，必须申请建立与服务器的连接。在客户端通过 connect( )请求建立服务连接, 原型
如下：

CONNECT(2)                 Linux Programmer’s Manual                CONNECT(2)
NAME
connect - initiate a connection on a socket
SYNOPSIS
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int  connect( int  sockfd,    //建立的套接字文件
const  struct sockaddr *serv_addr,     //指定要连接到服务的地址信息结构体的指针
socklen_t  addrlen);    //参数2 的长度

返回值：
成功返回0 ；失败返回-1 。
要点：
这个函数定义的时候，采用的是一个通用的指针；在应用程序中，需要传递指定通讯协议的数据结构的指针。

请求建立连接到示例代码如下：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

int  ret;
struct  sockaddr_in  srv_addr;

srv_addr.sin_family =AF_INET;
srv_addr.sin_port= htons(6000);
srv_addr.sin_addr.s_addr= inet_addr("192.168.0.101");
ret =connect(socket_fd , (struct sockaddr*)&srv_addr , sizeof(struct sockaddr_in) )

(3) 接收和发送数据
在建立通讯连接后，就可以进行数据的接收和发送了，可以和服务器端一样进行数据的读写。
示例代码：

memset(buf, 0 , sizeof(buf) );    //将缓冲区域清空的原因是定义的buf里面存在一些其他数据，如果不清空，数据将错误
ret=read(socket_fd,buf,sizeof(buf));
if(ret<0)
{
perror("read");
return ret;
}

ret=write(socket_fd,buf,strlen(buf));    //如果在读之前不清空 buf ，那么这个地方 strlen(buf) 就要改为 ret ;
if(ret<0)
{
perror("write");
return ret;
}

要点：
不清空、或者 不将 strlen(buf) 改为 ret 的执行结果为：

[root@localhost tcpip]# ./service
socket network serives test.
�
@V@�R@PP@�R@qr@. //打印出现乱码。

下面是完整的一个可以通过TCP/IP 进行通信的示例代码：
Exp： service.c 用于当作服务程序

//本文件用来测试网络通信
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

int main(int argc,char* argv[])
{
int socket_fd;
int ret;
struct sockaddr_in bind_addr;
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addr_len;
int sock_buf_fd;
char sock_buf[1024];

//创建网络套接字
socket_fd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(-1 == socket_fd)
{
perror("service");
return socket_fd;
}

//绑定本地端口，即为socket_fd命名
bind_addr.sin_family = PF_INET;
bind_addr.sin_port= htons (6000);
bind_addr.sin_addr.s_addr= inet_addr("192.168.0.101");
addr_len=sizeof(struct sockaddr_in);
ret = bind(socket_fd,(struct sockaddr*)&bind_addr, addr_len);

//监听端口
ret=listen(socket_fd, 10);
if(-1 == ret)
{
perror("listen");
return ret;
}

//响应监听队列的请求，并创建缓存数据文件
sock_buf_fd=accept(socket_fd,(struct sockaddr*)&client_addr,&addr_len);
if(-1 == sock_buf_fd)
{
perror("accept");
return sock_buf_fd;
}

//发送数据
ret=write(sock_buf_fd,"socket network serives test.\n",29);
if(-1 == ret)
{
perror("send data");
return ret;
}

//接收数据
memset(sock_buf,0,sizeof(sock_buf));
ret=read(sock_buf_fd,sock_buf,sizeof(sock_buf));
if(-1 == ret)
{
perror("read socket");
return ret;
}
printf("%s\n",sock_buf);

close(sock_buf_fd);
close(socket_fd);
return 0;
}

client.c 当作客户程序

//本文件用来测试linux网络编程

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

int main(int argc,char*argv[])
{
int ret;
int socket_fd;
struct sockaddr_in srv_addr;
socklen_t addr_len;
char buf[1024];

//创建网络套接字文件
socket_fd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(-1 == socket_fd )
{
perror("socket");
return socket_fd;
}

//申请建立与服务器的连接
srv_addr.sin_family=PF_INET;
srv_addr.sin_port=htons(6000);
srv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.101"); //服务器IP地址
addr_len=sizeof(struct sockaddr_in);
ret=connect(socket_fd,(struct sockaddr *)&srv_addr, addr_len);
if(-1==ret)
{
perror("connect");
return -1;
}

memset(buf,0,sizeof(buf));
ret=read(socket_fd,buf,sizeof(buf));
if(ret<0)
{
perror("read");
return ret;
}

ret=write(socket_fd,buf,strlen(buf));
if(ret<0)
{
perror("write");
return ret;
}

close(socket_fd);
return 0;
}

执行的效果如下：
服务器端：

[root@localhost tcpip]# ./service  //在服务器端运行 service 程序，执行后再等待客户程序请求服务
socket network serives test.       //在客户端执行 ./client 后 打印出这个信息

[root@localhost tcpip]#

客户端：

/ # ./client
/ #

过程是：
1、服务器给客户端发送： "socket network serives test.\n" 字符串
2、客户端接收服务器端发送来对数据
3、客户端将接收到数据发送到服务器端
4、服务器端接收客户端发送过来的数据，并将接收到的数据打印

示例1： 简单文件传输程序
　 虚拟机为服务器： IP为 192.168.0.101
　 友善之臂的2440开发板： IP为 192.168.0.99
　 测试为从服务器上下载一个文件到开发板，测试成功可以在开发板的系统上查看到下载到开发板的程序。
下面为头文件： ftp.h

//本文件是用于简单文件传输程序的头文件
#if !defined(__FTP_H__)
#define  __FTP_H__

#define  TEL_LEN      512    //报文数据长度为512字节

#define  FILE_EXIST   0x0
#define  FILE_NOT_EXIST 0x1
#define  END_OF_FILE  0x2
#define  VALID_DATA   0x3

typedef struct tel_gram
{
unsigned char type;
char  data[TEL_LEN];

}tel_t;

typedef struct pthread_type
{
struct sockaddr_in *sock_in_addr;
int    sock_buf_fd ;

}pthread_type_t;

#endif

下面为服务器： service.c

//本文件用来实现一个简单的文件传输服务
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include "ftp.h"
#include <fcntl.h>

int transfer(pthread_type_t *arg)
{
int fd;
int ret;
int size;
int sock_buf_fd;
char file_name[512];
tel_t telgram;
struct sockaddr_in* cli_addr;

//输出客户机信息
cli_addr=arg->sock_in_addr;
printf("the connet client is %s .\n",inet_ntoa(cli_addr->sin_addr.s_addr) );
#if 0
//首先检测链接是否正常
sock_buf_fd=arg->sock_buf_fd;
ret=recv( sock_buf_fd,  //接收数据的socket数据缓冲文件
&telgram,     //存粗接收数据的缓冲去地址
sizeof(tlegram.type), //要接收的数据长度
0); //接收标志
if(ret != sizeof(tlegram.type))
{
printf("network establelish is not well. will exit\n");
return 1;
}
send(sock_buf_fd,&telgram,sizeof(tlegram.type),0);
#endif

//接受文件名
sock_buf_fd=arg->sock_buf_fd;
ret=recv(sock_buf_fd, file_name,512,0);
if(-1==ret)
{
perror("recv file name");
return 1;
}
//切换到默认路径，默认文件存放路径为/ftp目录
chdir("/ftp");
if( access(file_name, F_OK) )
{
telgram.type=FILE_NOT_EXIST;
//如果文件不存在就发送信息给客户端
send(sock_buf_fd,&telgram,sizeof(telgram.type),0);
return 1;
}

//打开要传送的文件
fd=open(file_name,O_RDONLY);
if(-1==fd)
{
return -1;
}

while(1)
{
telgram.type=VALID_DATA;
ret=read(fd, &telgram.data,TEL_LEN);
size=sizeof(telgram);
if(ret<TEL_LEN)
{
telgram.type=END_OF_FILE;
size =ret + sizeof(telgram.type);
}
send(sock_buf_fd,&telgram, size,0);
}

return 0;
}

int main(int argc,char* argv[])
{
int sock_fd;
int sock_buf_fd;
int ret;
struct sockaddr_in srv_addr;  //服务器IP地址、端口信息
struct sockaddr_in cli_addr;  //用来存储客户段地址信息
socklen_t srv_addr_len;       //保存服务器IP地址、端口信息的结构体数据长度
socklen_t cli_addr_len;       //保存客户机IP地址、端口信息的结构体数据长度

pthread_type_t pth_arg;

//建立网络套接字文件
sock_fd=socket(PF_INET,      //使用TCP/IP协议族
SOCK_STREAM,  //使用字符流，TCP协议，需要建立稳定链接
0);           //非建立原始协议，必须传 0
if(-1 == sock_fd )
{
perror("create socket");
return sock_fd;
}

//绑定本地端口，即为套接字接口命名
srv_addr.sin_family=PF_INET;   //指定绑定的协议
srv_addr.sin_port=htons(6000); //指定通信端口
srv_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.0.101"); //指定服务起的IP
srv_addr_len=sizeof(struct sockaddr_in);
ret=bind( sock_fd,                          //要绑定的套接字文件
(struct sockaddr *)&srv_addr,     //服务器网络信息结构体
srv_addr_len);                    //第二个参数的sizeof
if(-1 == ret)
{
perror("socket bind");
return ret;
}

//监听端口
ret=listen(sock_fd,   //要监听的套解字，即要监听的端口
5);          //最大监听队列

if(-1 == ret)
{
perror("socket liseten");
return ret;
}

//查看请求，并建立数据缓存文件
while(1)
{
sock_buf_fd=accept( sock_fd,  //输入参数
(struct sockaddr*)&cli_addr, //输出参数 客户机IP
&cli_addr_len);   //第二个参数的sizeof

pth_arg.sock_buf_fd=sock_buf_fd;  //数据缓存文件指针传递给线程
pth_arg.sock_in_addr=&cli_addr;
ret=transfer(&pth_arg);
if(ret)
{
break ;
}
}

close(sock_buf_fd);
close(sock_fd);
return 0;
}

下面文件为客户端程序： client.c
　 编译命令为： arm-linux-gcc client.c -o client
　 如果有两个虚拟机开启来也可完成传输， 一个虚拟机也能完成这个代码的测试。

//本文件实现简单文件传输软件的客户端
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include "ftp.h"

int main(int argc,char* argv[])
{
int fd;
int ret;
int sock_fd;
struct sockaddr_in srv_addr;
tel_t telgram;
int size;

//检测程序执行时的参数是否正确
//不正确输出提示信息
if(argc<2 || argc > 3)
{
printf("Usage: client filename\n");
return 0;
}

//打开网络套接字文件
sock_fd=socket( PF_INET,   //与服器程序一样
SOCK_STREAM,
0 );
if(-1 == sock_fd)
{
perror("socket");
return 0;
}

//申请与服务器建立连接
srv_addr.sin_family=PF_INET;
srv_addr.sin_port=htons(6000);
srv_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.0.101");
ret=connect(sock_fd,(struct sockaddr*)&srv_addr, sizeof(srv_addr));
if(-1 == ret)
{
perror("connet to server");
return 0;
}

//发送文件名给服务器
send(sock_fd,argv[1],strlen(argv[1]),0);
recv(sock_fd,&telgram,sizeof(telgram.type),0);
if(FILE_NOT_EXIST == telgram.type)
{
printf("Not such a file in servie mathcine,will quit transfer\n");
return 0;
}

//创建文件来接受数据
fd=open(argv[1], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
if(-1 == fd )
{
perror("create file");
return 0;
}

while(1)
{
size=recv(sock_fd, &telgram, sizeof(telgram), 0);
if(END_OF_FILE == telgram.type)
{
ret=write(fd,&telgram.data,size);
if(ret<size)
{
//如果写入的数据比读到的数据少，表示写入错误删除文件
unlink(argv[1]);
perror("local file write");
}
break;
}

ret=write(fd, &telgram.data, size);
if(ret<size)
{
//如果写入的数据比读到的数据少，表示写入错误删除文件
unlink(argv[1]);
perror("local file write");
break ;
}
}

close(fd);
close(sock_fd);
return 0;
}

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本系列文章，未完待续.........

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